电站锅炉污垢费用估算

电站锅炉污垢费用估算 徐志明1，杨善让1，郭淑青2，赵 贺3，齐 冰3 (1. 东北电力学院动力系，吉林 吉林132012； 2. 中国科学院工程热物理研究所，北京 100080； 3. 华能大连电厂，辽宁 大连 116100) APPRoach to costing the utility boiler fouling in china XU Zhi-ming1, YANG Shan-rang1, GUO Shu-qing2, ZHAO He3, QI Bing3 (1. Northeast China Institute of Electric Power Engineering, Jilin 132012, China; 2. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Science, Beijing 100080, China; 3. Huaneng Dalian Power Plant, Dalian 116100, China) 　　Abstract: this paper proposes a method for evaluating the costs due to utility boiler fouling in China. The fouling costs include excess heat transfer surface area, increase of product cost and maintenance cost. Taking a 350MW unit as an example,which is in Huaneng Dalian Power Plant based on the parameters measured in site, the evaluated results show that the costs due to utility boiler fouling are 10.008 billion Yuan RMB/a in China, which is about 0.11% of GDP. in that year. 　　Keywords: Boiler； Fouling； Cost 　　摘　要：该文参照国际通用算法提出了一种电站锅炉污垢费用的估算，该法将锅炉污垢造成的经济损失分别按冗余面积、附加燃料、附加维护3个方面，根据某厂350MW机组锅炉的现场实测数据逐项进行评估。继而将所得结果按2000年我国火电机组装机容量推算出该年我国锅炉污垢导致的经济损失约为100.08亿元，约占当年GDP的0.11%。 　　关键词：锅炉；污垢；费用 1 引言 　　锅炉的积灰和结渣(统称污垢，为气侧污垢的一种[1,2])是影响锅炉安全经济运行的主要因素之一。由于污垢层的导热系数很低，热阻很大，致使传热恶化，进而导致排烟温度提高，降低了锅炉经济性。如欲锅炉维持所需负荷，就得增加燃料量，灰量随之增多，进一步加大传热热阻，形成恶性循环，导致其它事故发生，造成减产甚至停产。 　　另外，由于受热面的积灰或结渣，引起烟气流通阻力增大和金属腐蚀，前者加大了引风机负荷，造成厂用电率增大；后者可引发事故，降低机组可用率。Thackery[3]和Nostrand等[4]认为污垢造成的损失可分为如下4个方面：冗余面积、额外燃料费用、附加维护和产品损失。按照这种分类，他们分别估算了美国炼油工业和英国工业污垢造成的损失。其后，Steinhagen等[5]、Garrett-Price等[6]、Pritchard[7]和Müller- Steinhagen[8]也先后按照上述4个方面估算了不同行业污垢造成的损失。结果显示，美国因积灰和结渣而引起的经济损失每年高达20至100亿美元[9]。据此，有人推算：如能有效控制灰沉积，将换热损失减少1％，可用率提高1％，全美一年可节省4亿美元；而一台易积灰的500MW锅炉，灰沉积一项所造成的损失可达每年800万美元[10]。我国燃煤电站比例远大于美国，电站锅炉又以燃用灰分大的劣质煤为主，因而积灰和结渣问题较比美国要更加严重。但目前国内尚缺乏这方面的可靠数据，给一些项目的评估和大型工程的制定引入了较大的不确定性。本文以国内应用最多的蒸汽吹灰锅炉为对象，以典型锅炉的实测数据为基础，参照国际通用算法，按冗余面积（设计时考虑污垢而加大的传热面积）造成的锅炉体积和投资增加、附加燃料（污垢引起效率降低造成的）费用和附加维护费用（污垢清除）3个方面估算了污垢造成的经济损失。以此为基础可进一步推算出整个电力行业或其它采用锅炉行业的经济损失。 2 冗余面积增加的费用 　　为了在污染后仍应维持换热器的换热量，设计中常用的方法是增加传热面积即冗余面积。下面根据前苏联的电厂锅炉热力计算[11]，以长山热电厂100MW及200MW锅炉设备为例，计算了冗余面积见表1和表2。表中考虑污垢热阻的面积取自厂家锅炉热力计算的设计值。然后再将污染系数（污垢热阻）取为零或将热有效系数（也称利用系数）取为1，得到洁净时的换热面积。冗余面积常以冗余面积占洁净时的总换热面积的百分比来表示，称作冗余面积百分数[1]。锅炉价格约为30万元/MW。设计资料显示，100MW和200MW机组锅，炉冗余面积百分数均约为29%。由表还可见，100MW机组锅炉冗余面积增加的总费用约为853.2万元200MW机组锅炉冗余面积增加的总费用约1739.8万元，平均每MW增加8.64万元。 表3给出1980年至2000年我国火电机组装机容量和因冗余面积而导致的附加费用。 3 附加燃料费用 　　积灰和结渣使排烟温度上升，导致热效率下降，为维持指令负荷必然要增加燃料量，由此引起附加费用。由于积灰引起锅炉热效率降低的主要原因是排烟温度升高，排烟热损失q2增大所致。所以，附加燃料费用主要由排烟热损失q2决定，但影响q2的因素还有锅炉负荷和过量空气系数。排除锅炉负荷和过量空气系数的影响后，得到的便是积灰引起的锅炉效率的变化，然后由锅炉效率的变化推得积灰后燃料消耗量的增加，从而确定出积灰引起的附加燃料费用。 　　根据文[12]排烟热损失为 　　 式中 输入热量Qr为煤分析数据。 　　干烟气带走的热量Q2,gy和烟气中水蒸汽带走的热量 分别为 　　 　　 式(2)、(3)中 , 分别为排烟温度和送风温度，取现场实测数据； 为干烟气的定压比热, 取平均值；V0为理论空气量，Nm3/kg； 为水蒸汽的比热，可以根据物性参数获得。 　　实际干烟气量 和烟气中的水蒸气量 由下式给出： 　　 式(4)、(5)中 、 、 、 为煤的元素分析和工业分析结果，取现场分析值； 为空气含湿量，取10g/kg；a 为过量空气系数，可以根据现场监测的氧量[O2]按下式计算： 　　 　　由于过量空气系数对排烟热损失有影响，因此要将其扣除。方法是根据厂家已经提供100%，75%和50%负荷时的过量空气系数进行插值，得到对应负荷下的过量空气系数αpy,e。由此引起的排烟热损失为 　　 　　排烟热损失的基准值 根据锅炉运行提供的100％，75％和50％负荷时排烟温度插值求得。积灰不影响散热损失 和其它热损失 ，假设积灰不影响气体未完全燃烧热损失 和固体未完全燃烧热损失 ，积灰引起锅炉效率的减小就等于 的增加，即 　　 式中 bs为标准发电煤耗；Ym为平均煤价。 4 吹灰器运行维护费用 　　每天吹灰蒸汽耗量m取决于每秒吹灰蒸汽耗量q和吹灰行程时间ts及每天吹灰次数n的乘积，即 　　m1=q×ts×n   　　(10) 　　全年吹灰蒸汽耗量取决于全年运行时间H和每天吹灰蒸汽耗量 的乘积，为 　　 折合煤耗为 　　 全年吹灰器电机功率消耗N1折合煤耗 　　 　　蒸汽吹灰运行费用Ctot包括蒸汽耗量B1、电耗量B2、全年的维护检修费用Cmai和设备折旧费Cdep，即 　　 5 污垢费用计算实例 　　以华能大连电厂350MW机组为例。该机组共安装80台吹灰器，其中锅炉水冷壁采用56台短吹灰器，屏式过热器、再热器和省煤器等分别采用6台、8台和8台长吹灰器，空气预热器采用2台摆动式吹灰器。该厂空气预热器每班吹灰一次，但水冷壁视运行情况而定，吹灰过程中，各受热面吹灰器逐台进行吹灰。燃料为晋北烟煤，其特性如表4。吹灰器运行条件列于表5。实验所需采集数据有排烟中O2量，排烟温度tpy、锅炉负荷D和发电机功率Pe等。本次试验时间为24h，试验期间各受热面均进行程控吹灰。 　　图1、图2和图3分别给出试验期间采集的数据。实验过程中烟气中O2监测点在省煤器后，加上从文[11]查得空气预热器的漏风系数可得到排烟处过量空气系数。图4是根据上面分析方法得到的积灰排烟热损失对锅炉效率的影响。可以看出在吹灰间隔期，排烟温度tpy随时间升高，排烟损失随时间增加。吹灰过程中，排烟温度随时间下降，锅炉效率随时间明显上升，但残存污垢对锅炉效率和排烟温度仍有影响，并造成费用损失。 　　该厂装有性能在线监测系统，该系统可以在线计算锅炉热效率ηgl (见图5)和发电标准煤耗bs。根据式(1)求得实际排烟热损失q2，由式(7)算出过量空气系数变化的影响，代入式(8)得到污垢引起的排烟热损失的变化。根据系统提供的锅炉热效率ηgl、发电机功率Pel和发电标准煤耗bs，按10min的时间间隔，对式(9)进行数值积分，得到一个运行周期因积灰造成费用约4.0万元。全年污垢造成的损失约为4.0´ (7000÷24)=1166.7万元，平均3.33万元/MW×年。 　　按表4的燃料特性和表5的吹灰器运行条件,结合相应公式计算蒸汽吹灰的运行费用。由式(10)得到大连华能电厂吹灰蒸汽耗量为1497kg/日，由式(11)得吹灰蒸汽耗量为436.63t/年，由式(12) 得吹灰蒸汽耗量折合煤耗43.663t/年。由式(13)得电机功率消耗折合煤耗0.04489t/年。由式(14)得80台蒸汽吹灰器全年耗蒸汽和电的费用为(43.663+0.04489)×80×300=104.90万元。由厂家提供的数据吹灰设备全年的维护检修费用约0.6万元。一台吹灰器成本约2~6万元，取中间值每台3万元计算，使用寿命为10年，每年吹灰设备折旧费为80×3÷10=24万元。由此得到吹灰费用为104.90+0.6+24=129.5万元。平均为0.37万元/MW×年。 　　将上述两项费用相加得到一台350MW机组全年由于锅炉积灰引起的总费用为1166.7+129.5= 1296.2万元。相当于每年损失3.70万元/MW。按全国电力工业统计指标估算，2000年全国火电装机容量237540MW，由于锅炉污垢直接造成的费用约为237540×3.70=87.89亿元。如果再加上冗余面积造成的12.19亿元损失，则总损失为100.08亿元。2000年国内生产总值(GDP)89404亿元，锅炉污垢费用约占GDP的0.11%。当然这里还没有考虑由于产量减少、冗余面积多占地、增加厂房和维护的费用、送引风机电耗增加、煤和灰运输等方面的费用。其中产量减少的损失是巨大的。以本文分析的350MW机组为例，如果停产一天，少发电350000kW´ 24h=8400000kWh，如果电价0.34元/kWh，发电成本为0.16元/kWh，税率为13%，则所造成的损失为8400000×(0.34- 0.16)(1- 0.13)＝131.5万元/日。但考虑我国装机容量基本满足要求，某一机组停产不会影响电力供应，这项损失只影响电厂的经济效益，而几乎不会对GDP产生影响，所以本文没有计算这部分损失。 　　发达国家污垢费用约占GNP的0.25%[13]。而我国只是电力系统中的一部分就达到GDP的0.11%，如果考虑其他行业污垢造成的损失，我国的污垢费用可能要高于发达国家。可见污垢造成的损失是巨大的。而减小污垢危害也就成为节能降耗的一个有效途径。 6 结论 　　污垢(积灰和结渣)给电站锅炉造成的损失主要由冗余面积、附加燃料和附加维护3个方面构成：其中锅炉的冗余面积约为29%，增加投资8.64万元／MW；附加燃料费约为3.33万元/MW×年，全年约1166.7万元；附加维护费用大约0.37万元/ MW×年，全年约129.5万元，后两项之和为每年3.70万元/MW。2000年全国电站锅炉污垢造成的经济损失约为100.08亿元，约占当年GDP的0.11%。 参考文献 1.​ 杨善让，徐志明. 换热设备的污垢与对策 [M]. 北京：科学出版社, 1995. 2.​ 王建国，徐志明，杨善让(Wang Jianguo, Xu Zhiming, Yang Shanrang).空气预热器积灰在线监测模型(On-line monitoring model of ash deposits on air preheater) [J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE), 2000,20(7)：37-39. 3.​ Thackery P A. 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